【CAN高階】帶您認識ISO11898-4：時(shí)間觸發(fā)通訊

　　CAN總線(xiàn)通訊發(fā)展的過(guò)程中，為了兼容實(shí)時(shí)操作系統，是否也有與之對應的實(shí)時(shí)通訊網(wǎng)絡(luò )協(xié)議呢?

　　ISO11898之前3個(gè)部分的解讀提高了對傳統CAN網(wǎng)絡(luò )的理解，無(wú)論是高速CAN還是低速CAN，亦或者是最基礎的物理層定義都進(jìn)行了詳細的闡述。傳統的CAN網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)通訊基本都是事件觸發(fā)的，當同時(shí)有許多信息需要傳輸時(shí)可能會(huì )造成總線(xiàn)過(guò)載，為了避免這種現象，傳統CAN網(wǎng)絡(luò )采用仲裁機制按信息優(yōu)先級進(jìn)行傳輸。

　　圖 1 新能源汽車(chē)CAN總線(xiàn)透視圖

　　顯然，傳統分布式的CAN網(wǎng)絡(luò )如果能用于實(shí)時(shí)操作系統(基于時(shí)間觸發(fā)調度而非事件觸發(fā))，對于系統的兼容性和綜合集成性將大有提高，但問(wèn)題是我們如何才能將并非同樣遵從時(shí)間調度的兩者結合起來(lái)呢?

　　一、時(shí)間觸發(fā)CAN

　　1、概述

　　時(shí)間觸發(fā)CAN是建立在標準CAN上的高層協(xié)議，它會(huì )對網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)通訊進(jìn)行同步調度，也就是每個(gè)節點(diǎn)在一個(gè)固定的時(shí)間里發(fā)送信息，這樣就不用再對信息進(jìn)行優(yōu)先級仲裁，由于每個(gè)節點(diǎn)分配到的時(shí)間是固定的，所以還可以預判整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的延遲時(shí)間。

　　2、要實(shí)現這樣的時(shí)間觸發(fā)CAN通訊有兩種方式

　　方式一：用于周期信息傳輸;

　　方式二：支持全局系統時(shí)間傳輸。

　　3、幾個(gè)重要概念

　　基本周期：兩個(gè)參照幀之間的時(shí)間被稱(chēng)為一個(gè)基本周期，基本周期由數個(gè)時(shí)間窗組成;

　　參照幀：開(kāi)始一個(gè)基本周期的數據幀，為網(wǎng)絡(luò )提供一個(gè)全局時(shí)間，其作用就好像格林尼治時(shí)間之于世界時(shí)間一樣，用以同步所有節點(diǎn)的時(shí)間;

　　時(shí)間窗：系統矩陣里為傳輸信息分配的時(shí)間段，包括仲裁時(shí)間窗、自由時(shí)間窗和專(zhuān)用時(shí)間窗，見(jiàn)圖2。

　　圖 2 一個(gè)周期內的數個(gè)時(shí)間窗

　　所謂的時(shí)間觸發(fā)就是上面已經(jīng)分配好的的數據從左到右按順序發(fā)送，下面介紹一下這三種時(shí)間窗

　　專(zhuān)用時(shí)間窗(Exclusive Windows)：用來(lái)傳輸特殊的周期信息，這些消息不會(huì )參與總線(xiàn)競爭，是置身事外的一個(gè)記錄員角色;

　　仲裁時(shí)間窗(Arbitrating Windows)：CAN節點(diǎn)在總線(xiàn)不是空閑的時(shí)候是不能傳輸消息的，而在時(shí)間觸發(fā)CAN的仲裁時(shí)間窗里可以安排網(wǎng)路內的幾個(gè)節點(diǎn)同時(shí)發(fā)送報文，不過(guò)沒(méi)有重發(fā)功能;

　　自由時(shí)間窗(Free Windows)：保留用作系統擴展，可以配置成增加節點(diǎn)的仲裁時(shí)間窗或專(zhuān)用時(shí)間窗，相當于機動(dòng)部隊;

　　圖 3 系統矩陣

　　上圖的系統矩陣有4個(gè)基本周期，一個(gè)基本周期可由不同類(lèi)型、長(cháng)度的時(shí)間窗組成，矩陣的縱列也叫做傳輸陣，傳輸陣里的時(shí)間窗有相同的長(cháng)度但是可以擁有不同類(lèi)型。

　　二、接收和發(fā)送

　　明確完了概念，我們接下來(lái)了解時(shí)間觸發(fā)CAN是如何接收和發(fā)送信息的。

　　1、信息的發(fā)送

　　2、信息發(fā)送觸發(fā)器

　　在時(shí)間觸發(fā)CAN網(wǎng)絡(luò )里，節點(diǎn)發(fā)送的信息由信息發(fā)送觸發(fā)器控制。信息發(fā)送觸發(fā)器會(huì )顯示信息是由系統矩陣里面的哪個(gè)時(shí)間窗以及怎么來(lái)進(jìn)行傳輸的。

　　所以信息發(fā)送觸發(fā)器有多個(gè)功能組，一是信息正確性判斷，二是發(fā)送的時(shí)間標示，三是判斷傳輸陣里的發(fā)送位置，四是重發(fā)因數，一個(gè)信息發(fā)送觸發(fā)器的觸發(fā)條件滿(mǎn)足時(shí)，即使信息的傳輸出錯導致信息失效時(shí)它也將立即啟動(dòng)。

　　圖 4 舉例一個(gè)專(zhuān)用信息的發(fā)送觸發(fā)器

　　上圖是一個(gè)專(zhuān)用信息D的信息發(fā)送觸發(fā)器，它表述了在系統矩陣里第三個(gè)基本周期的第五個(gè)時(shí)間窗(專(zhuān)用窗)發(fā)送，周期偏差為0，重發(fā)因素為2。

　　三、信息的接收

　　1、信息接收觸發(fā)器

　　在時(shí)間觸發(fā)CAN里，信息的接收是由信息接收觸發(fā)器控制的，信息接收觸發(fā)器的構成與上述的信息發(fā)送觸發(fā)器一樣，信息接收觸發(fā)器的時(shí)標會(huì )在信息接受完成后確定時(shí)間點(diǎn)。

　　2、參照幀的發(fā)送

　　3、信息接收觸發(fā)器

　　參照幀發(fā)送觸發(fā)器是一個(gè)特殊的信息發(fā)送觸發(fā)器，它只存在于備用的時(shí)間主節點(diǎn)里。在嚴格的時(shí)間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò )中，只用唯一的一個(gè)參照幀發(fā)送觸發(fā)器來(lái)確保參照幀的周期發(fā)送，只要時(shí)間到了，參照幀就會(huì )被發(fā)送。

　　而在事件同步的基本周期系統中會(huì )有兩個(gè)參照幀發(fā)送觸發(fā)器，其中一個(gè)參照幀發(fā)送觸發(fā)器按系統矩陣基本周期定時(shí)發(fā)送，另一個(gè)作為后備，在事件同步異常時(shí)重新發(fā)送參照幀。

　　四、時(shí)間主節點(diǎn)初始化和錯誤處理

　　1、時(shí)間主節點(diǎn)初始化概念

　　雖然正常通訊建立起來(lái)時(shí)只有一個(gè)時(shí)間主節點(diǎn)，但在時(shí)間觸發(fā)CAN中備用的時(shí)間主節點(diǎn)可能超過(guò)8個(gè)。系統啟動(dòng)時(shí)，硬件初始化，所有備用時(shí)間主節點(diǎn)根據優(yōu)先級和等待時(shí)間可以開(kāi)始嘗試發(fā)送參照幀。硬件初始化后有高優(yōu)先級的CAN標識符的幀同步實(shí)體(數據鏈路層和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層的執行單元)可以?xún)?yōu)先傳輸。

　　2、錯誤處理

　　CAN的失效處理遵循ISO 11898-1的規定，當幀同步實(shí)體檢測到調度表有誤時(shí)，會(huì )通過(guò)CAN的ISO 11898-1協(xié)議來(lái)處理。

　　圖 5 錯誤處理